Распределение воздуха для снижения выбросов оксидов азота в топке котла с тангенциальной схемой сжигания

Abstract

Актуальность исследования обусловлена необходимостью анализа характеристик горения и факторов, влияющих на эмиссию оксидов азота (NOx) в топочной камере пылеугольного энергетического котельного агрегата при установке сопел третичного дутья и изменении расхода воздуха через них, для обеспечения снижения негативного антропогенного воздействия на окружающую среду. При этом следует отметить, что применение сопел третичного дутья является наименее затратной технологией внутритопочных мероприятий снижения эмиссии NOx. Цель: анализ влияния перераспределения окислителя между вторичным воздухом и третичным дутьем в диапазоне 40 % на полноту выгорания топлива и эмиссию NOx в топочной камере котельного агрегата с тангенциальной компоновкой горелочных устройств. Объекты: энергетический пылеугольный котельный агрегат с естественной циркуляцией, в котором прямоточные горелочные устройства скомпонованы по тангенциальной схеме, а сопла третичного воздушного дутья установлены выше горелок. Методы. Исследование проведено с использованием методов моделирования вычислительной гидродинамики. Для проведения имитационного исследования топочных процессов использовано апробированное программное обеспечение FIRE-3D. Усредненные уравнения сохранения массы, импульса, энтальпии решались для прогнозирования скорости, температуры и концентрации компонентов топочной среды в топочном объеме. Турбулентный поток моделировался стандартной k-ε-моделью. Перенос угольных частиц моделировался с использованием дискретно-фазовой модели. Модель P-1 использовалась для лучистого теплообмена. Результаты. Выполнен анализ концентраций O2, CO, NOx, полей скоростей и температуры при изменении соотношения вторичного и третичного воздуха в топочном объеме котельного агрегата с тангенциальной компоновкой горелочных устройств и сопел третичного дутья. На основании результатов численного моделирования выявлено, что при наличии сопел третичного дутья зона активного горения смещается вверх, что при высоком значении доли третичного дутья не приводит к снижению NOx из-за роста температуры на выходе из топки. С учетом выбросов NOx и полноты выгорания топлива, наиболее оптимальным для модернизации исследуемого котла является значение доли третичного дутья 0,2

Relevance. The importance of analyzing the combustion characteristics and factors affecting the emission of nitrogen oxides (NOx) in the furnace chamber of pulverized coal-fired power boiler unit when installing tertiary air nozzles and changing the air flow rate through them, to ensure the reduction of negative anthropogenic impact on the environment. It should be noted that the use of tertiary nozzles is the most cost-effective technology of the internal furnace measures of NOx emission reduction. Aim. To analyze the effect of oxidant redistribution between secondary air and tertiary blast in the range of 40% on the burnout and NOx emission in the furnace chamber of a boiler unit with tangential burner arrangement. Objects. Power pulverized coal-fired boiler unit with natural circulation. Straight-flow burner devices are arranged according to the tangential scheme, tertiary blast nozzles are installed above the burners. Methods. Computational fluid dynamics modeling methods. For the simulation study of furnace processes the tested software FIRE-3D was used. The averaged equations of conservation of mass, momentum and enthalpy were solved to predict the velocity, temperature and concentration of components of the furnace medium in the furnace volume. The turbulent flow was modeled by the standard k-ε model. Coal particle transport was modeled using a discrete-phase model. The P-1 model was used for radiant heat transfer. Results. The authors have carried out the analysis of O₂, CO, and NOₓ concentrations, as well as velocity fields and temperature to examine the effects of varying the ratio of secondary and tertiary air in the furnace volume of a boiler unit with tangentially arranged burners and tertiary blast nozzles. Numerical modeling results revealed that with tertiary blast nozzles, the active combustion zone shifts upward. However, at higher proportions of tertiary blast, NOₓ reduction is not achieved due to increased temperatures at the furnace outlet. Taking into account NOx emissions and completeness of fuel burnout, the most optimal for modernization of the investigated boiler is the value of tertiary blast fraction equal to 0.2